DE10203029A1 - Arrangement for feeding medium with oxygen to fuel cell cathode chamber feeds back medium mixture from cathode chamber via choke device into medium upstream of transport device - Google Patents

Abstract

The device has a transport device (5) and a feedback arrangement (6) for returning part of the medium mixture flowing from the cathode chamber back into the medium fed into the cathode chamber. Feedback of the medium mixture takes place via a choke device (7) into the medium before the transport device looking in the flow direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums, insbesondere Luft, in einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a device for feeding an oxygen-containing medium, in particular air, in a cathode compartment of a fuel cell after in the The preamble of claim 1 further defined type.

Aus der WO 00/63993 ist eine stromnetzunabhängige, schadstoffemissionsfreie portable Stromversorgungseinrichtung bekannt. Diese Stromversorgungseinrichtung nutzt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM- Brennstoffzelle zur Erzeugung der benötigten elektrischen Leistung. Der zum Betrieb der Brennstoffzelle beschriebene Aufbau weist eine Rückführung von aus dem Bereich der Kathode austretender Luft in den Eintrittsbereich auf. Diese Rückführung hat zum Ausgleich der Druckverluste, welche im Bereich des Kathodenraums der Brennstoffzelle entstehen, eine Pumpe. Die rückgeführte Luft gelangt nach dem die Umgebungsluft ansaugenden und verdichtenden Fördermittel, hier ebenfalls einer Pumpe, in das dem Kathodenraum zuströmende sauerstoffhaltige Medium, hier also die Luft. From WO 00/63993 is a power supply independent, pollutant emission-free portable Power supply device known. This power supply device uses a fuel cell, in particular a PEM Fuel cell to produce the needed electrical power. The one for operating the fuel cell described structure has a return of from Area of the cathode exiting air in the Entry area on. This repatriation has to compensate the pressure losses, which in the region of the cathode space the fuel cell, a pump. The recirculated air passes to the ambient air sucking and compacting funds, here too a pump, in which the cathode compartment incoming oxygen-containing medium, here so the air.

Ein vergleichbarer Aufbau ist auch in der US 6,015,634 beschrieben. Auch hier wird der Kathode über einen Kompressor Luft zugeführt und ein Teil der nicht benötigten Luft wird über einen weiteren Kompressor und eine Rückführung in den Bereich des Kathodeneingangs zurückgefördert und dort der bereits verdichteten Zuluft für die Kathode beigemischt. A comparable structure is also in US 6,015,634 described. Again, the cathode is over a Compressor supplied air and part of not required air is through another compressor and a return to the area of the cathode input promoted back and there the already compacted Supply air mixed for the cathode.

Über die Aufbauten der beiden beschriebenen Schriften läßt sich eine ausgeglichene Wasserbilanz des Gesamtsystems erzielen, da jeweils ein Teil des Wassers durch die Rezirkulationsleitung umgepumpt und somit für die Befeuchtung der Membranen teilweise wieder genutzt werden kann. Allerdings weisen beide Aufbauten den gravierenden Nachteil auf, daß ein zusätzliches Bauteil, nämlich das entsprechende Gebläse oder der Verdichter vonnöten ist, um die Rezirkulation aufrecht zu erhalten. Außerdem ist eine einfache Regelung der Rezirkulationsmenge so nicht möglich. About the structures of the two described writings can be a balanced water balance of Achieve overall system, as each part of the water pumped through the recirculation line and thus partly for the moistening of the membranes can be used. However, both bodies have the serious disadvantage that an additional Component, namely the corresponding fan or the Compressor is needed to maintain the recirculation to obtain. In addition, a simple scheme of Recirculation amount not possible.

Einen weiteren Aufbau, welcher eine Rezirkulation von Kathodenluft bzw. einem sauerstoffhaltigen Medium für eine Brennstoffzelle zeigt, ist durch die US 4,362,789 beschrieben. Auch hier ist die Rezirkulation des sauerstoffhaltigen Mediums so ausgeführt, daß der Eintritt des rezirkulierten Mediums in das sauerstoffhaltige Medium, welches dem Kathodenraum zugeführt wird, zwischen dem Kompressor und dem Kathodenraum erfolgt. Als Antrieb zum Ausgleich der in dem Kathodenraum auftretenden Druckverluste ist dabei eine Art Jetpump vorgesehen, bei welcher das rezirkulierte Medium über eine Kühlflüssigkeit als Antriebsmittel gefördert wird. Rezirkulationspumpe und Kühlung können somit zu einem Bauteil zusammengefaßt werden. Another construction, which is a recirculation of Cathode air or an oxygen-containing medium for a fuel cell is shown by US 4,362,789 described. Again, the recirculation of the oxygen-containing medium carried out so that the Entry of the recirculated medium into the oxygen-containing medium which is supplied to the cathode compartment, between the compressor and the cathode compartment. As a drive to compensate for in the cathode compartment occurring pressure losses is a kind of jet pump provided in which the recirculated medium via promoted a cooling fluid as a drive means becomes. Recirculation pump and cooling can thus too a component are summarized.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese oben genannten Aufbauten zu vereinfachen und eine Vorrichtung zur Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums, insbesondere Luft, in einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle mit einer Fördereinrichtung und einer Rückführung für einen Anteil des aus dem Kathodenraum abströmenden Mediengemisch in das dem Kathodenraum zugeführte Mediengemisch zu schaffen, welche mit einem minimalen Aufwand hinsichtlich der eingesetzten Bauteile und mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Steuerung und/oder Regelung auszukommen vermag. It is an object of the present invention to provide these to simplify the above mentioned constructions and one Device for supplying an oxygenous medium, in particular air, in a cathode compartment of a Fuel cell with a conveyor and a Recycling for a portion of the from the cathode compartment flowing media mixture in the cathode compartment supplied media mixture to create, which with a minimal effort with regard to the components used and with minimal effort in terms of control and / or regulation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention this object is achieved by the in characterizing part of claim 1 features solved.

Dadurch, daß die Rückführung in den Bereich vor dem Kompressor also vor die Verdichtung des sauerstoffhaltigen Mediums erfolgt, entstehen einige Vorteile, welche den sicherlich auch entstehenden geringfügigen höheren Aufwand an Energie, welcher durch die Fördereinrichtung bereitzustellen ist, bei weitem ausgleichen. Characterized in that the return to the area before the Compressor so before the compression of the oxygen-containing medium, there are some advantages, which certainly the resulting minor higher expenditure of energy, which by the Conveyor is to provide, by far.

So ist einer der Vorteile beispielsweise, daß für das Betreiben des Systems keine Befeuchtereinrichtung vonnöten ist, ein derartiges Bauteil also eingespart werden kann. Die Befeuchtung erfolgt durch den entsprechenden Aufbau in der Art und Weise, daß die rezirkulierte Kathodenabluft die Feuchtigkeit aus der Kathode, welche dort beim Umsatz von Sauerstoff und Wasserstoff zu elektrischer Energie und Wasser entsteht, in die Kathodenzuluft zurückgeführt wird. Dann ist zwar beim Start noch keine Feuchtigkeit verfügbar, in diesem Fall ist jedoch die Befeuchtung nicht notwendig bzw. nicht gewollt, da ohne Befeuchtung ein schnellerer Start der Brennstoffzelle realisiert werden kann. So one of the advantages, for example, is that for the Operating the system no humidifier is needed, thus saving such a component can be. The moistening is done by the corresponding structure in the way that the recirculated cathode exhaust the moisture from the Cathode, which there in the conversion of oxygen and Hydrogen is created into electrical energy and water, in the cathode feed is returned. Then it is true no moisture available at the start, in In this case, however, the moistening is not necessary or not wanted because without humidification faster start of the fuel cell can be realized.

Durch die entsprechend größere Menge an Gas, welche durch den Kathodenraum gefördert wird, kann mehr Wasserdampf aufgenommen bzw. flüssiges Wasser mitgerissen werden, so daß insgesamt mehr Wasser aus der Kathode abgeführt wird. Die Performance der Brennstoffzelle läßt sich dadurch entsprechend steigern und bringt somit einen weiteren beachtlichen Vorteil mit sich. By the correspondingly larger amount of gas, which being conveyed through the cathode space can do more Water vapor taken or entrained liquid water be, so that more water from the cathode is dissipated. The performance of the fuel cell can be increased accordingly and brings thus a further considerable advantage.

In der Rückführung ist damit also ein sehr hoher Gehalt an Feuchtigkeit und gegebenenfalls flüssiges Wasser vorhanden. Spätestens nach der Entspannung an der Drossel wird also flüssiges Wasser in der Rückführung vorhanden sein und von dem Gas mitgerissen werden. Dieses flüssige Wasser gelangt dann in die Fördereinrichtung. Da es nun von Kompressoren verschiedener Bauarten bekannt ist, daß diese in ihrem Wirkungsgrad teilweise erhebliche Steigerungen erlauben, wenn Wasser in den Kompressor mit eingespritzt wird, entsteht hierdurch ein weiterer Vorteil. In the return is thus a very high Content of moisture and possibly liquid Water available. At the latest after the relaxation at the So choke becomes liquid water in the return be present and be carried away by the gas. This liquid water then enters the Conveyor. Since it is different from compressors Types of construction is known that these in their efficiency sometimes allow substantial increases, though Water is injected into the compressor with, arises This is another advantage.

Aufgrund der in den Bereich des Kompressors zurückgeführten Feuchtigkeit, welche teilweise auch als Flüssigkeit vorliegt, kann während der Kompression entstehende Energie zur Verdampfung des in flüssiger Form vorliegenden Wassers genutzt werden, so daß auf einen Ladeluftkühler zwischen dem Kompressor und dem Kathodenraum entweder ganz verzichtet werden kann oder daß dieser zumindest hinsichtlich seiner Kühlleistung deutlich verringert werden kann, was wiederum Bauraum und Kosten einspart. Because of in the area of the compressor recycled moisture, which partly as Liquid may be present during compression resulting energy for evaporation of the liquid form present water are used, so that on a Intercooler between the compressor and the Cathode space can be dispensed with entirely or that this at least in terms of its cooling capacity can be significantly reduced, which in turn requires space and saves costs.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Drosseleinrichtung steuer- oder regelbar ausgebildet, um den Anteil des durch die Rückführung strömenden Mediengemischs zu beeinflussen. In a particularly favorable embodiment of the Invention, the throttle device is controlled or regulated trained to reduce the proportion of the return to influence flowing media mixture.

Dadurch entsteht der weitere Vorteil, daß über die vergleichsweise einfache Ansteuerung der Drossel, beispielsweise durch einen veränderlichen Querschnitt oder dergleichen, die Befeuchtung anhand des rückgeführten Mediengemischs aus dem Kathodenraum sehr leicht und exakt eingestellt werden kann. This creates the further advantage that over the comparatively easy control of the throttle, for example, by a variable cross-section or the like, the humidification on the basis of recycled medium mixture from the cathode compartment very can be adjusted easily and accurately.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Further advantageous embodiments of the invention arise from the remaining subclaims and the with reference to the drawing below Embodiments.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrieben wird; Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell, which is operated with the device according to the invention;

Fig. 2 ein Diagramm der Leistung und des Taupunkts in Abhängigkeit der Rückführrate; Fig. 2 is a graph of power and dew point versus return rate;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Fig. 3 is a schematic representation of a fuel cell with an alternative embodiment of the device according to the invention; and

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 4 is a schematic representation of a fuel cell with a further embodiment of the device according to the invention.

In Fig. 1 ist eine Brennstoffzelle 1 dargestellt, welche aus einem Anodenraum 2 und einem Kathodenraum 3 besteht, welche durch eine protonenleitende Membran 4 voneinander getrennt sind. Unter dem Anodenraum 3 bzw. den Kathodenraum 4 ist dabei entweder ein einzelner Raum einer Brennstoffzelle 1 oder die untereinander verbundenen Räume eines Brennstoffzellenstacks zu verstehen. In Fig. 1, a fuel cell 1 is shown, which consists of an anode compartment 2 and a cathode compartment 3 , which are separated by a proton-conducting membrane 4 from each other. Here, either the anode space 3 or the cathode space 4 is to be understood as meaning either a single space of a fuel cell 1 or the interconnected spaces of a fuel cell stack.

Zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Medium, hier Luft, in den Bereich des Kathodenraums 4 weist die Anordnung eine Fördereinrichtung 5 auf. Durch diese Fördereinrichtung 5 wird Umgebungsluft vom Umgebungsluftdruck p₀ auf den Betriebsdruck p₁ der Brennstoffzelle 1 und die dort vorliegende Eintrittstemperatur T₁ im Bereich des Kathodenraums 3 gebracht. Nach dem Durchströmen des Kathodenraums 3 wird dieser Druck um den Druckverlust im Bereich des Kathodenraums 4 minimiert sein. Der Druck nach dem Durchströmen des Kathodenraums 4 soll hier mit p₂ bezeichnet werden. Das Mediengemisch befindet sich dabei auf dem Temperaturniveau T₂, welches im allgemeinen ca. 5-15 K höher liegt als die Temperatur T₁. Nach dem Durchströmen des Kathodenraums 4 wird das aus dem Kathodenraum 4 ausströmende Mediengemisch, welches aus mit Sauerstoff teilweise abgereicherter Luft und Wasser in gasförmiger Phase, teilweise jedoch auch in flüssiger Phase, bestehen. Dieses Mediengemisch wird dann aufgeteilt und gelangt teilweise in die Umgebung, wobei weitere hier nicht dargestellte Komponenten, wie Kondensatoren, Kühler und dergleichen eingesetzt sein können. Ein Anteil des aus dem Kathodenraum 4 austretenden Gases gelangt jedoch auch über eine Rückführung 6 wieder zurück in den Bereich der von der Fördereinrichtung 5angesaugten Luft. For supplying oxygen-containing medium, in this case air, into the region of the cathode space 4 , the arrangement has a conveying device 5 . By means of this conveying device 5 ambient air is brought from the ambient air pressure p ₀ to the operating pressure p _{1 of} the fuel cell 1 and the inlet temperature T ₁ present therein in the region of the cathode space 3 . After flowing through the cathode space 3 , this pressure will be minimized by the pressure loss in the region of the cathode space 4 . The pressure after flowing through the cathode chamber 4 should be referred to here with p ₂ . The media mixture is at the temperature level T ₂ , which is generally about 5-15 K higher than the temperature T ₁ . After flowing through the cathode chamber 4 , the effluent from the cathode chamber 4 media mixture, which consists of oxygen partially depleted air and water in the gaseous phase, but partially also in the liquid phase exist. This mixture of media is then divided and partially enters the environment, wherein other components not shown here, such as capacitors, coolers and the like may be used. However, a portion of the gas emerging from the cathode space 4 also returns via a return 6 to the area of the air sucked in by the conveyor 5 .

Das rückgeführte Mediengemisch erfährt dabei eine Reduzierung seines Drucks vom Druckniveau p₂ auf den Umgebungsdruck p₀ im Bereich einer Drosseleinrichtung 7, welche hier als steuerbare bzw. regelbare Drossel 7 ausgebildet ist. Diese regelbare Drossel 7 erlaubt es dabei, beispielsweise durch einen veränderlichen Querschnitt, neben einer Druckreduzierung gleichzeitig die Menge an durch die Rückführung 6 strömenden Mediengemischs zu beeinflussen. Über die Drossel 7 läßt sich also das Verhältnis zwischen dem Medienabstrom aus dem Kathodenraum 4 und dem durch die Rückführleitung 6 strömenden Medium einstellen. Dieses Verhältnis, die sogenannte Rückführrate, soll nachfolgend mit "R" bezeichnet werden. The recycled medium mixture experiences a reduction of its pressure from the pressure level p ₂ to the ambient pressure p ₀ in the region of a throttle device 7 , which is designed here as a controllable or controllable throttle 7 . This variable throttle 7 makes it possible, for example by a variable cross-section, in addition to a pressure reduction at the same time to influence the amount of media flowing through the recirculation 6 media mixture. By means of the throttle 7 , therefore, the ratio between the media outflow from the cathode chamber 4 and the medium flowing through the return line 6 can be adjusted. This ratio, the so-called return rate, will be referred to below as "R".

Des weiteren sind zwei optionale Bauteile in dem Aufbau gemäß Fig. 1 über gestrichelte Linien angedeutet. Das erste Bauteil sitzt zwischen der Fördereinrichtung 5 und dem Kathodenraum 4. Es soll sich dabei um einen Ladeluftkühler 8 handeln, welcher bei bisherigen Systemen üblich und vergleichsweise groß und aufwendig ist. Bei dem hier dargestellten System kann grundlegend auf einen derartigen Ladeluftkühler 8 verzichtet werden, er kann allenfalls in bestimmten Lastzuständen vonnöten sein und ist deshalb hier als optionaler Ladeluftkühler 8 angedeutet. Selbst wenn ein derartiger optionaler Ladeluftkühler 8 eingesetzt ist, so weist dieser eine weitaus geringere Kühlleistung und damit einen weitaus geringeren Bauraum auf als es die Ladeluftkühler gemäß dem Stand der Technik tun. Furthermore, two optional components in the structure of FIG. 1 are indicated by dashed lines. The first component is located between the conveyor 5 and the cathode compartment . 4 It should be a charge air cooler 8 , which is common in previous systems and comparatively large and expensive. In the system shown here can basically be dispensed with such a charge air cooler 8 , he may possibly be required in certain load conditions and is therefore indicated here as an optional intercooler 8 . Even if such an optional intercooler 8 is used, this has a much lower cooling capacity and thus a much smaller installation space than do the intercoolers according to the prior art.

Das zweite optionale Bauteil ist ein Flüssigkeitsabscheider 9, welcher in dem Bereich nach dem Kathodenraum 4 angeordnet sein kann, um das hier in flüssiger Phase vorliegende Wasser aus dem Mediengemisch abzuscheiden. Dies kann Vorteile hinsichtlich eines stabilen Betriebs der Steuerung bzw. Regelung der Befeuchtung des Kathodenraums 4 über die durch die Drossel 7 eingestellte Rückführmenge ermöglichen. Im allgemeinen wird durch den Flüssigkeitsabscheider 9, sofern dieser vorhanden ist, jedoch nur bereits auskondensiertes Überschußwasser aus der Kathodenluft-Rezirkulation entfernt, er kann also sehr klein und einfach gebaut werden. The second optional component is a liquid separator 9 , which may be arranged in the region downstream of the cathode chamber 4 in order to separate the water present in liquid phase from the media mixture. This may allow advantages in terms of a stable operation of the control or regulation of the humidification of the cathode chamber 4 via the set by the throttle 7 recirculation amount. In general, however, by the liquid separator 9 , if it is present, but only already condensed excess water from the cathode air recirculation removed, so he can be very small and simple to build.

In Fig. 2 ist nun ein Diagramm dargestellt, welches einerseits den Taupunkt des in den Kathodenraum 4 einströmenden gasförmigen Mediums, hier also der Luft, in Abhängigkeit der Rückführrate R aufzeigt, und andererseits die aufzuwendende Leistung der Fördereinrichtung P, ebenfalls in Abhängigkeit der Rückführrate R, zeigt. FIG. 2 shows a diagram showing, on the one hand, the dew point of the gaseous medium flowing into the cathode space 4 , in this case the air, as a function of the return rate R and, on the other hand, the power to be expended by the conveyor P, likewise as a function of the return rate R. , shows.

Selbstverständlich muß aufgrund der Entspannung des rückgeführten Mediengemischs von dem höheren Druckniveau p₂ auf das Umgebungsdruckniveau p₀ und die nachfolgende Wiederverdichtung über die Fördereinrichtung 5 bei einer Rückführrate R > 0 eine höhere Leistung für die Fördereinrichtung 5 aufgebracht werden als dies der Fall wäre, wenn auf eine derartige Rückführung komplett verzichtet werden würde (R = 0). Of course, due to the relaxation of the recirculated media mixture from the higher pressure level p ₂ to the ambient pressure level p ₀ and the subsequent recompression via the conveyor 5 at a recirculation rate R> 0, a higher power for the conveyor 5 must be applied as would be the case if Such a return would be completely dispensed with (R = 0).

Im nachfolgenden Beispiel soll als Zielsetzung ein Aufbau angegeben werden, welcher am Eintritt des Kathodenraums 4 bei einem fiktiven Temperaturwert von 50° und einem annähernd konstanten Druck von p₁ in diesem Bereich im Taupunkt (DP) befindlicher Kathodenzuluft betrieben wird. Die untere der beiden Kurven in dem Diagramm stellt nun die Abhängigkeit des Taupunkts (50°) von der Rückführrate R dar. In the following example, the aim is to specify a structure which is operated at the inlet of the cathode space 4 at a fictitious temperature value of 50 ° and an approximately constant pressure of p ₁ in this area in the dew point (DP) located cathode feed. The lower of the two curves in the diagram now represents the dependence of the dew point (50 °) on the return rate R.

Als erster Punkt in dem Diagramm soll jedoch ein Punkt erläutert werden, welcher sich bei der entsprechenden Leistung einstellt, wenn keine Rückführung, also R = 0, vorgesehen ist. Für den entsprechenden Taupunkt bei den fiktiven 50° und dem Druck p₁ wäre demnach eine entsprechende Kompressorleistung P₁ notwendig. Zur Bereitstellung der Feuchte in dem Gas wäre eine entsprechende Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise ein Membranbefeuchter oder dergleichen, vonnöten. As a first point in the diagram, however, a point is to be explained, which adjusts itself to the corresponding power, if no feedback, ie R = 0, is provided. Accordingly, a corresponding compressor power P _{1 would be} necessary for the corresponding dew point at the fictitious 50 ° and the pressure p ₁ . To provide the moisture in the gas, a corresponding humidifying device, for example a membrane humidifier or the like, would be required.

Steigert man nun die Rückführrate R entsprechend, so wird der für den beim fiktiven Wert von 50° geltende Taupunkt DP auf der durchgezogenen Linie wandern. Der gewünschte Taupunkt bei 50° wird sich bei einer Rückführrate einstellen, welche hier mit x markiert ist. Die Rückführrate R = x wird dabei in einem Bereich von ca. 0,25 bis 0,3, also einer Rückführung von 25 bis 30% des Kathodenabgasstroms, liegen. If you now increase the return rate R accordingly, so will be the one valid for the fictitious value of 50 ° Dew point DP migrate on the solid line. Of the desired dew point at 50 ° will be at a Set the return rate, which is marked here with x. The return rate R = x is in a range of about 0.25 to 0.3, so a return of 25 to 30% of the cathode exhaust stream lie.

Bei dieser Rückführung x wird sich aber auch der dazu gehörende Leistungswert P₂ auf der Leistungskurve einstellen. Für die Möglichkeit auf den Befeuchter komplett zu verzichten und die ideale Befeuchtung des Kathodenraums 4 mit einer einfachen Steuerung bzw. Regelung zu realisieren, muß also die Leistungsdifferenz dP = P₂ - P₁ zusätzlich aufgebracht werden. With this feedback x, however, the associated power value P _{2 will also be set} on the power curve. For the possibility to completely dispense with the humidifier and to realize the ideal humidification of the cathode compartment 4 with a simple control or regulation, so the power difference dP = P ₂ - P _{1 must be} additionally applied.

Um die damit verbundenen Energieaufwendungen möglichst gering zu halten, ist ein derartiges System also dann von besonderer Bedeutung, wenn der komplette Aufbau mit vergleichsweise geringen Drücken p₁, p₂ auskommt, da dann die aufzubringende Verdichterleistung an sich vergleichsweise klein ist. Besonders günstig ist ein derartiger Aufbau mit einer einfachen Drossel 7 als regelbare Drosseleinrichtung 7 also dann, wenn der Vordruck p₁ vor dem Kathodenraum 4 in einem Bereich möglichst unter 3 bar absolut liegt, die durch die Fördereinrichtung 5 aufzubringende Druckdifferenz also ≤ 2 bar ist. Da sich diese Überlegungen weiterführen lassen, ist ein besonders günstiger Einsatz bei Systemen zu erreichen, welche mit sehr niedrigen Vordrücken p₁ von beispielsweise 1,6 bis 1,8 bar absolut arbeiten. In order to keep the associated energy costs as low as possible, such a system is of particular importance when the complete structure with relatively low pressures p ₁ , p ₂ gets along, since then the applied compressor power is comparatively small in itself. Such a structure with a simple throttle 7 as a controllable throttle device 7 is particularly favorable when the initial pressure p ₁ in the range below 3 bar is absolutely in front of the cathode space 4 , ie the pressure difference to be applied by the conveyor 5 is ≦ 2 bar. Since these considerations can be continued, a particularly favorable use can be achieved in systems which operate at very low pre-pressures p ₁ of, for example, 1.6 to 1.8 bar absolute.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind nun zwei weitere Ausführungsformen dargestellt, welche insbesondere für höhere Drücke, also einem Druck p₁ von wenigstens 3 bar absolut, sinnvoll sind. In Fig. 3 and Fig. 4, two further embodiments are now shown, which are particularly useful for higher pressures, ie a pressure p ₁ of at least 3 bar absolute.

Der in Fig. 3 dargestellte Aufbau ist dabei sehr ähnlich zu dem Aufbau gemäß Fig. 1. Lediglich ist anstatt der steuer- bzw. regelbaren Drosseleinrichtung 7 ein Expander 7' als Drosseleinrichtung eingesetzt. Dabei kann es sich prinzipiell um eine Turbine oder eine geometrische Maschine handeln. Die geometrische Maschine ist sicherlich bei den üblicherweise vorliegenden Drücken unter 5 bar zu bevorzugen. The structure shown in Fig. 3 is very similar to the structure of FIG. 1. Only instead of the controllable or controllable throttle device 7, an expander 7 'used as a throttle device. This can in principle be a turbine or a geometric machine. The geometric machine is certainly to be preferred for the pressures usually below 5 bar.

Um die Menge an rückgeführtem Mediengemisch, also die Rückführrate R, einstellen zu können, ist hier eine steuerbare oder regelbare Ventileinrichtung 10, beispielsweise ein Proportionalventil, eingesetzt. Ansonsten ist der Aufbau durchaus vergleichbar. Nur kann hier bei der Expansion in der Rückführung 6 die anfallende Energie genutzt werden, um entweder die Fördereinrichtung 5 teilweise anzutreiben oder um über entsprechende Energiewandler Energie bereit zu stellen, welche dann anderweitig weiterverwendet werden kann. In order to be able to set the amount of recycled medium mixture, that is to say the recirculation rate R, a controllable or controllable valve device 10 , for example a proportional valve, is used here. Otherwise, the structure is quite comparable. Only here can be used in the expansion of the return 6, the accumulated energy to either drive the conveyor 5 partially or to provide energy via appropriate energy converter, which then can be used elsewhere.

In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Da in den Abgassträngen von Anodenraum 3 und Kathodenraum 4 häufig ohnehin Expander eingesetzt sind, kann man bei dem hier vorliegenden Aufbau den Expander so einsetzen, daß der komplette Abgasstrom, welcher aus dem Kathodenraum 4 bei einem Druck p₂ ausströmt, den Expander 7" durchströmt und die in ihm enthaltene Energie zumindest teilweise abgibt, um diese anderweitig zur Verfügung zu stellen. In FIG. 4, a further alternative embodiment is shown. Since expanders are often used anyway in the exhaust lines of anode chamber 3 and cathode chamber 4 , the expander can be used in the present structure such that the complete exhaust gas flow, which flows out of the cathode chamber 4 at a pressure p _2, flows through the expander 7 " and at least partially dispose of the energy contained in it to make it otherwise available.

Die prinzipmäßige Darstellung der Fig. 4 zeigt darüber hinaus weitere Bauteile, wie beispielsweise eine Filtereinrichtung 11 im Bereich der Zuluft, welche auch bei allen bisherigen Anordnungen vorhanden sein kann, welche für die dort geführten Überlegungen jedoch nicht von Interesse war. Des weiteren sind Abgasreinigungseinrichtungen 12 oder dergleichen im Bereich der abströmenden Abluft dargestellt. Für weitere Überlegungen sind dabei nicht diese Baubereiche 11, 12 an sich, sondern nur die von diesen Bauteilen erzeugten Druckverluste von Interesse. Der in dem Filter 11 erzeugte Druckverlust wird nachfolgend mit dp_f bezeichnet, während der von den weiteren Komponenten 12 erzeugte Druckverlust mit dp_x bezeichnet wird. The principle representation of Fig. 4 also shows other components, such as a filter device 11 in the supply air, which may also be present in all previous arrangements, which was not of interest for the considerations out there. Furthermore, exhaust gas purification devices 12 or the like are shown in the region of the outflowing exhaust air. For further considerations are not these areas of construction 11 , 12 per se, but only the pressure losses generated by these components of interest. The pressure loss generated in the filter 11 is referred to below as dp _f , while the pressure loss generated by the other components 12 is denoted by dp _x .

Die Überlegungen der Fig. 4 sollen nun aufzeigen, daß auch bei einer derartigen Anordnung mit einem Expander 7" direkt nach dem Kathodenraum 4 auf eine zusätzliche Fördereinrichtung im Bereich der Rückführung verzichtet werden kann. The considerations of Fig. 4 will now show that even with such an arrangement with an expander 7 "directly after the cathode compartment 4 can be dispensed with an additional conveyor in the field of recycling.

Die hier angegebenen Druckwerte sind dabei rein fiktiv, sie sollen lediglich die Funktionsweise des hier prinzipmäßig dargestellten Aufbaus erläutern. The pressure values given here are pure fictitious, they are just meant to work like this explain the structure shown in principle.

Es wird beispielsweise bei einem Umgebungsdruck p₀, welcher hier mit 1 bar angenommen ist, in dem Filter 11 ein Druckverlust dp_f von ca. 50 mbar auftreten. Im Bereich nach dem Filter 11 herrscht dann also ein Druckniveau von p₀ - dp_f = 950 mbar. For example, at an ambient pressure p ₀ , which is assumed here to be 1 bar, a pressure loss dp _f of approximately 50 mbar will occur in the filter 11 . In the area after the filter 11 , a pressure level of p ₀ -dp _f = 950 mbar prevails.

Durch die Fördereinrichtung 5 wird dieses Druckniveau auf den Druck p₁ von beispielsweise 3,5 bar vor dem Kathodenraum 4 verdichtet. Nach dem Durchströmen des Kathodenraums 4, welcher ebenfalls einen Druckverlust aufweist, wird ein Druck p₂ von ca. 3,2 bar vorliegen. Dieser Druck wird in dem Expander 7" auf ein Druckniveau expandiert, welches es erlaubt, daß die weiteren Komponenten 12 noch durchströmt werden können. Wenn man für die weiteren Komponenten 12 einen Druckverlust dp_x von ca. 100 mbar annimmt, so ergibt sich zwischen der Ventileinrichtung 10 mit der Mündung der Rückführung 6 und dem Bereich vor der Fördereinrichtung 5 ein Druckgefälle von dp_x + dp_f, also von rund 150 mbar, was eine Rückströmung in dem durch die Ventileinrichtung 10 vorgegebenen Maße erlaubt. By the conveyor 5 , this pressure level is compressed to the pressure p ₁ of, for example, 3.5 bar in front of the cathode chamber 4 . After flowing through the cathode chamber 4 , which also has a pressure drop, a pressure p ₂ of about 3.2 bar will be present. This pressure is expanded in the expander 7 "to a pressure level which allows the further components 12 to still be flowed through. If a pressure loss dp _x of approximately 100 mbar is assumed for the other components 12 , the result is between Valve device 10 with the mouth of the return 6 and the area in front of the conveyor 5, a pressure drop of dp _x + dp _f , ie of about 150 mbar, which allows a backflow in the predetermined by the valve device 10 dimensions.

Die günstigen Eigenschaften einer derartigen Anordnung lassen sich also auch bei einem unter höherem Druck betriebenen Aufbau nutzen, wobei zur energetischen Optimierung eine Rückgewinnung von Energie durch die Expander 7' bzw. 7" als Drosseleinrichtungen vorgesehen sein kann. The favorable properties of such an arrangement can therefore also be used in a structure operated at a higher pressure, wherein a recovery of energy through the expander 7 'or 7 "can be provided as throttle devices for energy optimization.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Mediums, insbesondere Luft, in einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle mit einer Fördereinrichtung und einer Rückführung für einen Anteil des aus dem Kathodenraum abströmenden Mediengemischs in das dem Kathodenraum zugeführte Medium, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung (6) des Mediengemischs über eine Drosseleinrichtung (7, 7', 7") in das Medium in Strömungsrichtung vor der Fördereinrichtung (5) erfolgt. 1. A device for supplying an oxygen-containing medium, in particular air, into a cathode chamber of a fuel cell with a conveyor and a return for a portion of the effluent from the cathode compartment media mixture in the cathode compartment supplied medium, characterized in that the return ( 6 ) of the media mixture via a throttle device ( 7 , 7 ', 7 ") takes place in the medium in the flow direction in front of the conveyor ( 5 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil (R) an durch die Rückführung (6) strömenden Mediengemisch durch die Drosseleinrichtung (7) steuer- oder regelbar ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the proportion (R) of the recirculation ( 6 ) flowing media mixture through the throttle device ( 7 ) is controlled or regulated. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung (6) einen Flüssigkeitsabscheider (9) in Strömungsrichtung vor der Drosseleinrichtung (7, 7', 7") aufweist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the return ( 6 ) has a liquid separator ( 9 ) in the flow direction in front of the throttle device ( 7 , 7 ', 7 "). 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Fördereinrichtung (5) aufgebaute Druckdifferenz (p₁ - p₀) weniger als 2 bar beträgt. 4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the of the conveyor ( 5 ) constructed pressure difference (p ₁ - p ₀ ) is less than 2 bar. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung als Expander (7') ausgebildet ist, wobei im Bereich der Abzweigung der Rückführung (6) eine hinsichtlich der Durchflußmenge steuer- oder regelbare Ventileinrichtung (10) angeordnet ist. 5. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the throttle device is designed as an expander ( 7 '), wherein in the region of the branch of the return ( 6 ) with respect to the flow controllable or controllable valve means ( 10 ) is arranged , 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kathodenraum (4) und dem Abzweigen der Rückführung (6) ein Expander (7") als Drosseleinrichtung angeordnet ist, wobei im Bereich der Abzweigung der Rückführung (6) eine hinsichtlich der Durchflußmenge steuer- oder regelbare Ventileinrichtung (10) angeordnet ist. 6. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that between the cathode space ( 4 ) and the branches of the return ( 6 ) an expander ( 7 ") is arranged as a throttle device, wherein in the region of the branch of the return ( 6 ) a controllable with respect to the flow rate valve device ( 10 ) is arranged.